Оцінка тектонічної тріщинуватості порід-колекторів за допомогою методу скінченних елементів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оцінка тектонічної тріщинуватості порід-колекторів за допомогою методу скінченних елементів

Загальновідомим є факт, що на малих і середніх глибинах (стадія початкового катагенезу) колекторські властивості осадових порід, в основному, контролюються літолого-фаціальними умовами седи- ментогенезу.

Для вищевказаних глибин, при дефіциті склепінних пасток, існує суттєвий резерв, а саме пастки літологічного, стратиграфічного та комбінованого типів, прогноз і цілеспрямовано дослідження яких практично не здійснюється.

Перспективи нафтогазоносності на сучасному етапі не можуть оцінюватись без дослідження вторинних перетворень осадових порід та особливостей зміни їх колекторських властивостей.

На даному етапі надзвичайно актуальним і важливим є детальне дослідження закономірностей геодинаміки процесів, які призводять до формування зон розущільнення, що дасть змогу здійснювати більш точно їх прогноз на локальних об'єктах і суттєво підвищити ефективність ведення пошукових робіт на великих глибинах.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. При формуванні порід-колекторів у розрізі осадової товщі важливу роль відіграють геодинамічні процеси, тобто об'єднані в часі та просторі процеси, які впливають не тільки на деформацію гірських порід та створення структурних форм-пасток, але й на їх колекторські властивості [1].

Детальним літологічним вивченням порід-колекторів Карпатської нафтогазоносної провінції встановлена низка особливостей вторинних (епігенетичних) змін порід як регіонального, так і локального характеру [2]. Особливо це наглядно проявляється при дослідженні пісковиків та алевролітів, які є основними потенційними колекторами вуглеводнів. В регіональному плані внаслідок епігенетичних структурних змін гранулярна пористість уламкових порід в стадію пізнього катагенезу знижується до 5-8%, тобто ці породи вже не є промисловими колекторами.

В той же час, на фоні прогресивних процесів втрати первинної ємності на багатьох локальних об'єктах в осадових породах встановлено вторинну пористість, кавернозність мікро- та макротріщинуватість, стилолітизацію і т. і. Все це чітко зафіксовано при детальному стадіальному аналізі зразків кернів та шліфів. Всі ці процеси споріднені в часі і просторі з парагенетичною асоціацією мінеральних новоутворень: карбонати, сульфати, сульфіди, силікати, тверді вуглецеві утворення, вуглеводні. Важливо підкреслити -- ці утворення аутигенні, пов'язані з процесами вторгнення глибинних флюїдів в осадову товщу по диз'юнктивних порушеннях, зонах дрібнення, стінках соляних штоків [3].

За рахунок процесів розущільнення колек- торські властивості осадових порід в стадію пізнього катагенезу різко покращуються, пористість може досягати 20-30%, тобто в порівнянні з залишковою гранулярною (критичною) пористістю, пористість зростає в 4-6 і більше разів, проникність (особливо з врахуванням тріщинної) зростає в сотні і тисячі разів.

Слід відмітити, що в ряду стадійних процесів формування ефективного вторинного колектора, який і являється ємністю для вуглеводнів на великих глибинах, є найбільш молодий процес [4].

Таким чином, вищенаведене свідчить про те, що на великих глибинах основний резерв для відкриття нових покладів на відкритих вже родовищах і нових родовищ на перспективних об'єктах слід пов'язувати саме з вторинними колекторами глибинного походження [5].

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Результати досліджень вказують на те, що відкриті тріщини найчастіше зустрічаються у піщано-алевритовій флішовій товщі. Ймовірно,саме прошарки пісковиків та алевролітів є тим каркасом, який бере на себе основні геодинамічні навантаження при тектонічних рухах, що в кінцевому результаті зумовлює утворення тріщин. Наявність відкритих та частково відкритих тріщин з присутністю різнотипових вуглеводневих речовин фіксувалась у шліфах багатьох свердловин [4].

Через невизначеність типу колектора, особливостей його порового простору та геологічної будови ділянок чи покладу в цілому унеможливлюється кількісне моделювання будови і режиму роботи нафтогазових родовищ з метою прогнозування продуктивності свердловин. Ключовим моментом для цього є визначення розподілу проникності, що й визначає неоднорідність резервуару. Традиційні геологічні моделі, які зводяться до побудови комплекту карт пористості, піскуватості і т. п. не допомагають у вирішенні питання точного і детального вивчення резервуару у випадках складної будови або високого ступеня роздробленості родовища [6].

На нашу думку, одним з перспективних методів оцінки тріщинуватості порід-колекторів є аналіз їх напружено-деформованого стану шляхом математичного моделювання геодинамічних процесів у піщано-алевритовій флішовій товщі.

Мета статті -- розроблення моделі, в якій буде досліджено тектонічну тріщинуватість піщано- алевритової товщі, обумовлену геодинамічними процесами.

Виклад основного матеріалу

В основі моделі лежить твердження про те, що головним чинником утворення тектонічної тріщинуватості порід є їх напружено-деформований стан (НДС) у період активних геодинамічних процесів. Інтенсивність утворення тріщин залежить від рівня внутрішніх напружень, спричинених деформаційними процесами в окремих прошарках піщано-алевритової товщі. Таким чином можна вважати, що висока тріщинуватість буде в місцях перевищення внутрішніми напруженнями границі міцності породи.

Також дуже важливим для розроблення моделі є урахування реологічних властивостей гірських порід. Утворення складок відбувалося протягом дуже великих проміжків часу. За таких умов аргіліти та алевроліти, особливо з домішками глини,практично втрачають пружні властивості і поводять себе як рідини. Це означає, що навіть інтенсивна деформація прошарків аргілітів та алевролітів не призводить до підвищення їх внутрішніх напружень. Таким чином, утворення зон високої тріщинуватості у піщано- алевритовій товщі в першу чергу залежить від НДС прошарків пісковиків.

Тому вирішено дослідити вплив активних геодинамічних процесів на НДС шару пісковику з точки зору можливості появи зон високої тріщинуватості та оцінки їх місцезнаходження. На першому етапі досліджень за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ) розроблено модель для оцінки НДС шару пісковику під час геодинамічних процесів.

Пропонована модель ґрунтується на таких допущеннях і спрощеннях.

1. Утворення піщано-алевритової товщі відбувалося в період низької геотектонічної активності, тому як початкове приймаємо горизонтальне розміщення прошарків пісковику.

2. Також допустимо, що умови формування піщаників у межах досліджуваних ділянок були однакові, тому й початкові фізико-механічні властивості прошарків пісковику однорідні.

3. Прошарки є настільки протяжні, що їх НДС з достатньою точністю можна описувати як плоский деформований стан.

4. Завдяки своїм реологічним властивостям сусідні прошарки аргілітів і алевролітів не справляють істотного впливу на НДС шару пісковику і підлаштовують свою деформацію під деформацію пісковику.

Для опису плоского деформованого стану достатньою є двовимірна модель. Аналіз можливостей МСЕ для вирішення поставленої задачі дав змогу створити параметричну модель для оцінки НДС прошарку пісковику. Параметрами моделі є товщина прошарку h, довжина активної ділянки L, висота підйому ділянки Н, основні фізи- ко-механічні характеристики матеріалу, а також граничні умови.

Базовими фізико-механічними характеристиками матеріалу є модуль пружності Е, коефіцієнт Пуассона м, границі міцності за стиску а_м^с та розтягу ст/. Для досліджень приймаємо Е = 10⁴ МПа; М = 0,25; а_м^с = 800 МПа; а_м^р = 80 МПа. Високі показники границь міцності вибрано з урахуванням умови об'ємного стиску ділянки породи.

Граничні умови для моделей типу «відома деформація -- невідомі напруження» мають велике значення щодо отримання адекватних результатів, тому їх формування потребує ретельного аналізу. З точки зору колекторних властивостей нас найбільше цікавить утворення антикліналі. Проведений аналіз дав змогу сформувати для висхідної гілки антикліналі граничні умови, наведені на рис. 1. На лівому торці граничними умовами А є вільне переміщення тільки вздовж осі х без можливості повороту чи руху вздовж осі у вверх-вниз. Такі параметри вільності є характерними для підошви антикліналі при поздовжньому переміщенні товщі. На правому торці умови В мають такі показники: фіксоване значення переміщення вверх (параметр висота підйому ділянки Н) без можливості повороту чи руху вздовж осі х вліво-вправо. Це імітує стан перерізу місця перегину склепіння антикліналі. Умова С -- умова об'ємного стиску ділянки з фіксованим значенням р. У даному випадку р = 5 МПа.

Рис. 2. НДС ділянки антикліналі з параметрами L за граничних значень висоти підйому: а -- min Н=13 де v= 500 м; h = 20 м м; б -- max H=100 м

Оскільки в модулі Static Structural, який традиційно використовується для таких задач, не підтримуються великі переміщення з такими граничними умовами, то модель побудовано в модулі Transient Structural. Даний модуль дає змогу параметр Н задавати як лінійну функцію в часі в табличній формі. Розв'язок задачі відбувається шляхом поетапного наближення до остаточного рішення. Це вирішує проблему великих переміщень.

Параметром для оцінювання НДС ділянки вибрано Safety Factor (SF). Даний параметр визначають за рівнянням, де [о] -- гранично допустиме напруження; о_щ -- еквівалентне напруження згідно з вибраною гіпотезою міцності.

У даній роботі за допомогою розробленої моделі нами досліджено НДС антикліналі з точки зору впливу її геометричних параметрів на місце знаходження зон високої тріщинуватості та їх відносну поширеність за критерієм SF. При цьому за граничні стани прийнято такі значення: max SF = 0,8 (початок утворення зон тектонічної тріщинуватості) та min SF = 0,1 (практично повне руйнування). Деякі результати досліджень за довжини ділянки L = 500 м наведено на рис. 2, 3.

Як бачимо з рис. 2, 3 товщина прошарку пісковику за однакових інших умов суттєво впливає на його НДС під час утворення антикліналі. Результати досліджень для товщини прошарку від 1 м до 80 м наведено на рис. 4.

Згідно з рис. 4 товщина прошарку практично не впливає на мінімальну висоту антикліналі, але суттєво впливає на максимум.

Висновки і пропозиції

Утворення зон високої тріщинуватості у піщано-алевритовій товщі в першу чергу залежить від напружено-деформованого стану прошарків пісковиків.

Рис. 4. Результати досліджень НДС прошарку пісковику в антикліналі (L = 500 м)

Активні геодинамічні процеси через зміну напружено-деформованого стану обумовлюють можливість появи зон високої тріщинуватості шару пісковику та оцінки їх місцезнаходження.

Важливо відзначити, що для гірських порід, спостерігається значний розкид величин механічних характеристик. Це пояснюється тим, що на механічні властивості окремих груп впливає не тільки мінералогічний склад, але і їх будова. Тому наступні дослідження будуть спрямовані на статистичну оцінку впливу значень механічних характеристик на тектонічну тріщинуватість шарів пісковику. Саме виявлення таких високотріщинуватих зон, так званих зон розущільнення в межах локальних об'єктів може підвищити ефективність геологорозвідувального буріння. Такі об'єкти є більш привабливими з точки зору прогнозування нафтогазоносності надр, а врахування існування відкритих тріщин дає змогу з більшою ефективністю прогнозувати нафтогазоперспективність тієї чи іншої структури.

Список літератури

тріщинуватість порода математичний моделювання

1. Бойко Г.Е. Тектоногенез и нефтегазоносность осадочных бассейнов / Г.Е. Бойко. - К.: Наук. думка, 1989. - 204 с. _ц

2. Маєвський Б.Й. Прогнозування перспектив нафтогазоносності глибоко занурених горизонтів Передкарпатсь- кого прогину з використанням геологостатистичного моделювання / Б.Й. Маєвський, В.Р. Хомин, Т.В. Здерка [et al.] // Геоінформатика. - 2007. - № 1. - С. 54-61.

3. Маєвський Б.Й. Математична модель оцінки тріщинуватості порід-колекторів в умовах їх згину та її практичне застосування (на прикладі менілітових відкладів Передкарпатського прогину) / Б.Й. Маєвський, С.С. Куровець // Теоретичні та практичні аспекти геоінформатики. - Київ. - 2007. - С. 137-148.

4. Lithogenetic fracturing of Oligocene reservoir-rocks of the pre-Carpathian depression / B.Y. Mayevskiy, T.V. Zderka, S.S. Kurovets, A.V. Yarema // Journal of Hydrocarbons Mines and Environmental Research. - 2010. - № 16 - P. 53-59.

5. Hydrocarbons genesis and formation of their deposits as a basis of predicting oil-and-gas presence in deep-sunk horizons of sedimentary basins / B.Y. Mayevskiy, S.S. Kurovets // Eastern European Research Journal. - 2016 - № 4(8). - P. 140-158.

6. Дослідження особливостей нафтонасичення олігоценових порід-колекторів Микуличинського нафтового родовища Передкарпатського прогину / Б.Й. Маєвський, І.Т. Штурмак, Т.В. Здерка і ін. // Нафтова і газова промисловість. - 2008. - № 1. - С. 7-10.

Размещено на Allbest.ru